Phản ứng điện phân dung dịch NaCl (nước muối) là một quá trình quan trọng trong hóa học công nghiệp và có nhiều ứng dụng thực tế. Nó thuộc loại phản ứng oxi hóa khử và thường được sử dụng để sản xuất các hóa chất quan trọng như clo (Cl2), hydro (H2) và natri hydroxit (NaOH). Dưới đây là phân tích chi tiết về cơ chế, các yếu tố ảnh hưởng và ứng dụng của quá trình này, kèm theo các bài tập vận dụng.
Phương Trình Điện Phân Dung Dịch NaCl
Phương trình tổng quát cho quá trình điện phân dung dịch NaCl là:
2NaCl + 2H2O →dpdd 2NaOH + Cl2 ↑ + H2 ↑
Cơ Chế Điện Phân Dung Dịch NaCl (Có Màng Ngăn)
Để thực hiện điện phân dung dịch NaCl, ta cần một thiết bị điện phân có màng ngăn. Màng ngăn này có vai trò ngăn không cho clo và hidroxit phản ứng với nhau, từ đó thu được sản phẩm tinh khiết hơn.
Quá trình điện phân xảy ra như sau:
- Phân ly trong dung dịch: NaCl phân ly thành ion Na+ và Cl- trong dung dịch.
- Di chuyển ion: Khi có dòng điện một chiều đi qua, ion Na+ di chuyển về cực âm (catot) và ion Cl- di chuyển về cực dương (anot).
- Phản ứng tại anot (cực dương): Ion Cl- bị oxi hóa thành khí clo.
2Cl– → Cl2 + 2e - Phản ứng tại catot (cực âm): Thay vì ion Na+ bị khử (vì tính khử yếu hơn H2O), nước sẽ bị khử tạo thành khí hydro và ion hydroxit (OH-).
2H2O + 2e → H2 + 2OH- - Sản phẩm: Kết quả là dung dịch thu được chứa NaOH, khí Cl2 thoát ra ở anot và khí H2 thoát ra ở catot.
Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Điện Phân Dung Dịch NaCl
Hiệu quả của quá trình điện phân phụ thuộc vào nhiều yếu tố:
- Nồng độ dung dịch NaCl: Nồng độ muối càng cao, hiệu suất điện phân càng lớn.
- Cường độ dòng điện: Dòng điện càng mạnh, tốc độ phản ứng càng nhanh.
- Nhiệt độ: Nhiệt độ cao có thể làm tăng tốc độ phản ứng, nhưng cũng có thể làm giảm độ tan của khí clo trong dung dịch, gây khó khăn cho việc thu hồi sản phẩm.
- Màng ngăn: Màng ngăn giúp ngăn chặn sự khuếch tán của các ion và sản phẩm, đảm bảo độ tinh khiết của NaOH.
- Chất liệu điện cực: Điện cực trơ (như than chì hoặc titan phủ oxit) thường được sử dụng để tránh phản ứng phụ.
Ứng Dụng Của Điện Phân Dung Dịch NaCl
Điện phân dung dịch NaCl có nhiều ứng dụng quan trọng trong công nghiệp và đời sống:
- Sản xuất clo (Cl2): Clo được sử dụng rộng rãi trong sản xuất nhựa PVC, chất tẩy trắng, khử trùng nước và nhiều hóa chất khác.
- Sản xuất hydro (H2): Hydro là một nguồn năng lượng sạch tiềm năng và được sử dụng trong nhiều quy trình công nghiệp, bao gồm sản xuất amoniac và hydro hóa dầu.
- Sản xuất natri hydroxit (NaOH): NaOH (xút) là một bazơ mạnh, được sử dụng trong sản xuất xà phòng, giấy, sợi rayon và nhiều ứng dụng khác.
Mở Rộng Kiến Thức Về NaCl
Nguồn Gốc Của Muối Tinh Khiết NaCl
Muối NaCl có nguồn gốc từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm:
- Miệng núi lửa và đá dưới đáy biển: Một phần nhỏ muối có nguồn gốc từ các hoạt động địa chất.
- Nước mưa và quá trình phong hóa: Nước mưa hòa tan CO2 trong khí quyển, trở nên có tính axit và phá vỡ đá trên đất liền, thu giữ các ion (chủ yếu là natri và clo) và mang chúng ra biển. Quá trình này đóng góp lớn nhất vào lượng muối trong các đại dương.
Tính Chất Vật Lý Của Muối Tinh Khiết
- Muối NaCl là chất rắn kết tinh, không màu hoặc màu trắng.
- Cấu trúc tinh thể của NaCl là cấu trúc lập phương tâm diện, trong đó mỗi ion natri được bao quanh bởi sáu ion clo và ngược lại.
Tính Chất Hóa Học Của Muối Tinh Khiết
- NaCl là chất điện li mạnh, phân li hoàn toàn trong nước thành ion Na+ và Cl-.
- Dung dịch NaCl có tính trung tính vì nó là muối của axit mạnh (HCl) và bazơ mạnh (NaOH).
- NaCl tham gia vào nhiều phản ứng hóa học quan trọng, bao gồm:
- Phản ứng trao đổi ion: Ví dụ, NaCl phản ứng với AgNO3 tạo thành kết tủa AgCl.
NaCl + AgNO3 → NaNO3 + AgCl↓ - Điện phân nóng chảy: Điện phân NaCl nóng chảy tạo ra natri kim loại và khí clo.
2NaCl →dpnc 2Na + Cl2
- Phản ứng trao đổi ion: Ví dụ, NaCl phản ứng với AgNO3 tạo thành kết tủa AgCl.
Bài Tập Vận Dụng Liên Quan Đến Điện Phân Dung Dịch NaCl
Câu 1. Điện phân dung dịch X chứa hỗn hợp các muối sau: NaCl, CuCl2, FeCl3, ZnCl2. Kim loại cuối cùng thoát ra ở catot trước khi có khí thoát ra là
A. Cu
B. Zn
C. Fe
D. Na
Hướng dẫn giải
Đáp án B
Thứ tự các ion và chất bị điện phân ở catot là Fe3+, Cu2+, Zn2+, H2O (sinh khí H2)
Vậy kim loại cuối cùng thoát ra ở catot trước khi có khí thoát ra là Zn.
Câu 2. Để phân biệt các chất đựng trong lọ riêng biệt sau: NaNO3, Cu(NO3)2, Fe(NO3)3, Ba(NO3)2 người ta cần sử dụng hóa chất nào?
A. NaOH, H2SO4
B. NaCl, HCl
C. Ca(OH)2
D. BaCl2
Hướng dẫn giải
Đáp án C
Trích mẫu thử của từng chất vào các ống nghiệm riêng biệt và đánh dấu tương ứng
– Cho dung dịch NaOH dư vào 4 ống nghiệm trên
+ ống nghiệm nào xuất hiện kết tủa màu xanh thì ống nghiệm đó chứ Cu(NO3)2
3NaOH + Cu(NO3)2 → Cu(OH)2↓ + 2NaNO3
+ ống nghiệm nào xuất hiện kết tủa màu nâu đỏ thì ống nghiệm đó chứa Fe(NO3)3
3NaOH + Fe(NO3)3 → Fe(OH)3↓ + 3NaNO3
+ ống nghiệm nào không có hiện tượng thì chứa NaNO3 và Ba(NO3)2
– Cho H2SO4 dư vào 2 dung dịch chưa phân biệt được NaNO3 và Ba(NO3)2
+ ống nghiệm xuất hiện kết tủa màu trắng là Ba(NO3)2
H2SO4 + Ba(NO3)2 → BaSO4↓ + 2HNO3
Câu 3. Điện phân dung dịch NaCl có màng ngăn nhận định nào dưới đây là đúng?
A. Ở catot xảy ra sự khử ion kim loại Natri.
B. Ở anot xảy ra sự oxi hóa H2O.
C. Ở anot sinh ra khí H2.
D. Ở catot xảy ra sự khử nước.
Hướng dẫn giải
Đáp án D
Do ion Na+ không bị điện phân trong dung dịch ⇒ tại catot chỉ xảy ra sự khử H2O
Câu 4. Khi điện phân NaCl nóng chảy (điện cực trơ), tại anot xảy ra
A. sự khử ion Cl-.
B. sự oxi hoá ion Cl-.
C. sự oxi hoá ion Na+.
D. sự khử ion Na+.
Hướng dẫn giải
Đáp án B
Trong quá trình điện phân,ion Na+ di chuyển về phía catot (cực âm) và ion Cl- di chuyển về phía anot (cực âm). Na+ có tính oxi hóa nên bị khử.
Vật tại catot xảy ra sự khử ion Na+, anot là sự oxi hoá ion Cl-
Chú ý: Tổng quát với quá trình điện phân, tại catot diễn ra sự khử và tại anot diễn ra sự oxi hóa.
Câu 5. Khi điện phân điện cực trơ có màng ngăn dung dịch hỗn hợp gồm NaCl và CuSO4 đến khi NaCl và CuSO4 đều hết nếu dung dịch sau điện phân hoà tan được Fe và sinh khí thì dung dịch sau điện phân chắc chắn chứa
A. CuCl2
B. CuSO4
C. HCl, CuSO4
D. H2SO4
Hướng dẫn giải
Đáp án D
Ta thấy khi điện phân hết NaCl và CuSO4 thì chỉ có Cu2+ và Cl- bị điện phân hết tạo Cu và Cl2. Mà dung dịch sau điện phân hòa tan được Fe và sinh khí => dung dịch sau điện phân chứa axit
=> dung dịch chắc chắn chứa H2SO4 (vì SO42- không bị điện phân)
Câu 9. Điện phân NaCl nóng chảy bằng điện cực trơ, ở catot thu được
A. Cl2.
B. Na.
C. NaOH.
D. H2.
Hướng dẫn giải
Đáp án B
Trong quá trình điện phân,ion Na+ di chuyển về phía catot (cực âm) và ion Cl- di chuyển về phía anot (cực âm). Na+ có tính oxi hóa nên bị khử.
Vật tại catot xảy ra sự khử ion Na+ => thu được Na
Câu 10. Cho các phát biểu sau:
(a) Điện phân dung dịch NaCl (điện cực trơ, có màng ngăn), thu được khí Cl2 ở anot.
(b) Cho CO dư qua hỗn hợp Fe2O3 và CuO đun nóng, thu được Fe và Cu.
(c) Nhúng thanh Zn vào dung dịch chứa CuSO4 và H2SO4, có xuất hiện ăn mòn điện hóa.
(d) Kim loại dẻo nhất là Au, kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp nhất là Hg.
(e) Để điều chế kim loại nhôm người ta điện phân nóng chảy Al2O3.
Số phát biểu đúng là
A. 3
B. 4
C. 5
D. 2
Hướng dẫn giải
Đáp án B
(b) Cho CO dư qua hỗn hợp Fe2O3 và CuO đun nóng, thu được Fe và Cu.
Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2
CuO + CO →to Cu + CO2
(c) Nhúng thanh Zn vào dung dịch chứa CuSO4 và H2SO4, có xuất hiện ăn mòn điện hóa.
(d) Kim loại dẻo nhất là Au, kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp nhất là Hg.
(e) Để điều chế kim loại nhôm người ta điện phân nóng chảy Al2O3.
Câu 12. Trong quá trình điện phân dung dịch NaCl ở cực âm xảy ra
A. Sự khử phân tử nước
B. Sự oxi hoá ion Na+
C. Sự oxi hoá phân tử nước
D. Sự khử ion Na+
Hướng dẫn giải
Đáp án A
Trong quá trình điện phân dung dịch NaCl ở cực âm xảy ra Sự khử phân tử nước
Điện phân dung dịch NaCl:
Ở cực âm (catot): trên bề mặt của cực âm có các ion Na+ và phân tử H2O. Ở đây xảy ra sự khử các phân tử
H2O: 2H2O + 2e → H2 + 2OH-.
Ở cực dương (anot): trên bề mặt của cực dương có các ion Cl- và phân tử H2O.Ở đây xảy ra sự oxi hóa các ion
Cl-: 2Cl- → Cl2 + 2e
Câu 13. Điện phân NaCl nóng chảy với điện cực trơ ở catot thu được
A. Cl2
B. NaOH
C. Na
D. HCl
Hướng dẫn giải
Đáp án C
Điện phân dung dịch NaCl:
Ở cực âm (catot): trên bề mặt của cực âm có các ion Na+ và phân tử H2O.
Ở đây xảy ra sự khử các phân tử H2O:
2H2O + 2e → H2 + 2OH-.
Ở cực dương (anot): trên bề mặt của cực dương có các ion Cl- và phân tử H2O.
Ở đây xảy ra sự oxi hóa các ion Cl-:
2Cl- → Cl2 + 2e có các ion Cl- và phân tử H2O.
Câu 6. Nhỏ từ từ từng giọt đến hết 60 ml dung dịch HCl 1M vào 200 ml dung dịch chứa K2CO3 0,2M và KHCO3 0,2M, sau phản ứng thu được số mol CO2 là
A. 0,02.
B. 0,03.
C. 0,015.
D. 0,010.
Hướng dẫn giải
Đáp án A
Nhỏ từ từ HCl vào dung dịch thứ tự phản ứng:
H+ + CO32- → HCO3−(1)
H+ + HCO3−→ CO2 + H2O (2)
nH+ = 0,06 mol
nCO32− = 0,04 mol H+
nH+ (2) = nCO2 = 0,06 – 0,04 = 0,02 mol
Câu 7. Điện phân dung dịch NaCl đến hết (có màng ngăn, điện cực trơ), cường độ dòng điện 1,61A thì hết 60 phút. Thêm 0,03 mol H2SO4 vào dung dịch sau điện phân thì thu được muối với khối lượng
A. 2,13 gam
B. 4,26 gam
C. 8,52 gam
D. 6,39 gam
Hướng dẫn giải
Đáp án B
Điện phân: 2NaCl + 2H2O → 2NaOH + H2+ Cl2
Số e trao đổi trong quá trình điện phân là ne =ItF = 1,61. 60. 6096500 = 0,06 mol
Luôn có : nNaOH = ne = 0,06 mol
2NaOH + H2SO4 → Na2SO4 + H2O
Có nH+ = nOH- → phản ứng xảy ra vừa đủ
→ mmuối = 0,03. 142 = 4,26 gam
Câu 8. Nhỏ từ từ từng giọt đến hết 30 ml dung dịch HCl 1M vào 100 ml dung dịch chứa K2CO3 0,2M và KHCO3 0,2M, sau phản ứng thu được số mol CO2 là
A. 0,02.
B. 0,03.
C. 0,015.
D. 0,01.
Hướng dẫn giải
Đáp án D
Nhỏ từ từ HCl vào dung dịch thứ tự phản ứng:
H+ + CO32- → HCO3−(1)
H+ + HCO3−→ CO2 + H2O (2)
nH+ = 0,03 mol
nCO32+ = 0,02 mol H+
nH+ (2) = nCO2 = 0,03 – 0,02 = 0,01 mol
Câu 11. Điện phân (điện cực trơ, màng ngăn xốp) dung dịch gồm CuSO4 và NaCl (tỉ lệ mol tương ứng 1 : 3) với cường độ dòng điện 1,34A. Sau thời gian t giờ, thu được dung dịch Y (chứa hai chất tan) có khối lượng giảm 10,375 gam so với dung dịch ban đầu. Cho bột Al dư vào Y, thu được 1,68 lít khí H2 (đktc). Biết các phản ứng xảy ra hoàn toàn, hiệu suất điện phân 100%, bỏ qua sự hòa tan của khí trong nước và sự bay hơi của nước. Giá trị của t là
A. 7
B. 6
C. 5
D. 4
Hướng dẫn giải
Đáp án A
Do dung dịch sau điện phân chứa 2 chất là: Na2SO4 và NaOH. Tỉ lệ mol CuSO4 và NaCl là 1:3 nên Cu2+ bị điện phân hết trước.
Al + OH− → AlO2− + 32H2
=> nOH- = nH2.23 = 0,05 mol.
Quá trình điện phân:
Cu2+ + 2Cl- →Cu + Cl2
a → 2a → a → a
2Cl- + 2H2O → Cl2 + H2 + 2OH-
a (3a – 2a) → 0,5a → 0,5a
a = 0,05
mgiảm= 64a + 71a + 71.0,5a + 2.0,5a = 8,575 gam
=> H2O bị điện phân: mH2O = 10,375 – 8,575 = 1,8 gam
H2O → H2 + 12O2
0,1 → 0,1 → 0,05 mol
Tại anot: 0,075 mol Cl2, 0,05 mol O2
=> ne = 0,075.2 + 0,05.4 = 0,35 mol
t = ne.96500I0,35.965001,34= 25205,2 giây = 7 giờ.
Điện phân dung dịch NaCl là một quá trình quan trọng với nhiều ứng dụng thực tiễn. Việc nắm vững cơ chế, các yếu tố ảnh hưởng và bài tập vận dụng sẽ giúp bạn hiểu sâu hơn về quá trình này.
